自密實(shí)混凝土等效砂漿多組分協(xié)同增韌試驗(yàn)研究

葛飛，唐卓，程智清, ，楊愷，趙洪，龍廣成

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.云南省交通科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650011)

混凝土是現(xiàn)代工程建設(shè)中用量最大的建筑材料，由于其脆性大、韌性差[1]，混凝土開裂現(xiàn)象屢見不鮮。開裂問題不僅影響建筑物的美觀，而且會(huì)加速其自身性能劣化和內(nèi)部鋼筋銹蝕，大幅度降低結(jié)構(gòu)安全性和建筑物的服役壽命[2]。隨著現(xiàn)代土木工程向超高、大跨度、高耐久性和綠色低碳方向發(fā)展，對(duì)混凝土的韌性和抗裂性提出了更高的要求[3]。現(xiàn)有研究提出了多種改善韌性的方法，在水泥基材料中摻入韌性組分就是其中一種，常用的韌性組分主要有橡膠顆粒、聚合物和纖維等。橡膠顆粒可在水泥基體中形成結(jié)構(gòu)變形中心[4]，從而提高混凝土的變形能力和韌性。ZHOU 等[5]發(fā)現(xiàn)，橡膠顆?？梢蕴岣咦悦軐?shí)混凝土的斷裂能和延性指數(shù)，顯著改善試件的韌性。相關(guān)研究表明[6-7]，聚合物可以優(yōu)化水化產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)，具有一定韌性的聚合物膜起到阻止微裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力集中的作用，從而提高砂漿的抗折強(qiáng)度和韌性。隨機(jī)亂向分布的纖維可以形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]，從而有效減少緩解混凝土的內(nèi)應(yīng)力，此外，纖維的橋聯(lián)作用將應(yīng)力從基體傳遞到纖維上，有效抑制裂縫的產(chǎn)生和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)混凝土的多縫開裂[9]。目前關(guān)于聚合物、纖維等韌性組分單摻或復(fù)摻對(duì)水泥基材料韌性影響的研究較多，但對(duì)于3種韌性組分混摻的研究較少。且現(xiàn)有研究大部分著重于探究多組分簡單疊加的影響，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)常采用累加法，即混摻體系是各個(gè)單摻體系的加和，韌性組分總摻量不相同，因而難以建立協(xié)同效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)并分析不同韌性組分間的協(xié)同效應(yīng)。為了研究韌性組分間的協(xié)同效應(yīng)，本文基于取代法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即多摻韌性組分體系與單摻體系摻量相同。由復(fù)合材料定律可知，當(dāng)2種及以上組分同時(shí)摻入水泥基材料中，在總摻量一定的情況下，若性能明顯異于各單一組分下性能的加權(quán)疊加，稱為協(xié)同效應(yīng)，若產(chǎn)生一加一大于二的效果，稱為正協(xié)同效應(yīng)；反之，則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng)[10]。本文以自密實(shí)混凝土(SCC)為研究對(duì)象，基于混凝土等效砂漿法(CEM)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，探究多種韌性組分的協(xié)同增韌效應(yīng)。CEM 是按照比表面積相同的原則用砂子取代混凝土中的粗骨料[11]，采用CEM 方法配制的砂漿與原配合比SCC的性能參數(shù)相似[12]。選用橡膠顆粒、可再分散聚合物乳膠粉及聚丙烯纖維3種韌性組分，研究總摻量一定時(shí)，單摻、雙摻和三摻3種組分對(duì)SCC等效砂漿斷裂韌性的影響規(guī)律，采用協(xié)同效應(yīng)因子定量評(píng)價(jià)協(xié)同作用效應(yīng)。此外，通過觀察微觀形貌和構(gòu)建物理模型，探究3組分協(xié)同作用機(jī)理。本研究可為制備高韌性水泥基材料提供新思路，為其工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥(C)為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料采用礦粉(SL)，膠材的主要化學(xué)組成與物理性質(zhì)見表1；橡膠顆粒(RP)顆粒粒度為5～8目(2.36～4 mm)，密度為1.01 g/cm3；采用普通河砂(S)作為骨料，細(xì)度模數(shù)為2.62，密度為2.65 g/cm3；聚丙烯纖維(P)單絲直徑為27～32 μm，長度為19 mm；可再分散聚合物乳膠粉(EVA)主要成分為醋酸乙烯和乙烯共聚物，容重為400～600 g/L，pH 值6.5～9.0；膨脹劑采用UEA 型混凝土膨脹劑；黏改劑(VMA)由石灰石粉、硅灰和纖維素醚按照15∶15∶0.3 混合配制而成；減水劑為聚羧酸類高效減水劑(SP)，減水率為33%；拌合用水采用自來水(W)。

表1 膠凝材料的物理性質(zhì)與化學(xué)組分Table 1 Physical properties and chemical compositions (Mass fraction,%) of binder materials

1.2 試驗(yàn)配合比

SCC等效砂漿的水膠比保持在0.34，韌性組分均外摻，試驗(yàn)設(shè)置了總體積摻量(韌性組分占水泥石總體系的體積分?jǐn)?shù))分別為1%，2%和4% 3 種摻量，共15 組試件，配合比如表2 所示。通過現(xiàn)場調(diào)控減水劑的量，使等效砂漿的擴(kuò)展度為230～270 mm。

表2 等效砂漿配合比Table 2 Details of the mixture proportion kg/m3

1.3 試驗(yàn)測試方法

本文采用單邊切口梁3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行SCC等效砂漿試件斷裂性能的測試。彎曲試驗(yàn)采用英國INSTRON 1342 型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試件的荷載和位移由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量，預(yù)制裂縫在試件中間位置，由水刀切割機(jī)制作而成，縫高比為0.4。為了固定夾式引伸計(jì)，在縫兩側(cè)5 mm 處分別貼上厚度為2 mm 的薄鋼板，試驗(yàn)采用位移加載控制，速率為0.1 mm/min。試驗(yàn)裝置圖和加載示意圖如圖1所示。所有試件均標(biāo)養(yǎng)28 d，每組測試6 個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

圖1 彎曲試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Flexural experimental device

為了觀察不同韌性組分對(duì)水泥基體微觀結(jié)構(gòu)以及相互之間的影響，開展了掃描電鏡試驗(yàn)。掃描電鏡樣品制備是從試塊芯部取幾個(gè)較為規(guī)整的薄片，將樣品浸泡在異丙醇中，24 h后換一次異丙醇繼續(xù)浸泡6 d，之后將樣品放在真空干燥器中干燥7 d 以上。觀測前用實(shí)驗(yàn)室專用氣球進(jìn)行除塵，將樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上，再抽真空并進(jìn)行噴金處理，最后放入掃描儀中進(jìn)行觀察。掃描儀工作模式以SE(二次電子)模式為主，BSE(背散射)模式和EDS 能譜分析輔助物相判斷，加速電壓為25 kV，工作距離10 mm，選擇有代表性的區(qū)域以及合適的放大倍數(shù)，著重對(duì)韌性組分與水泥基體的界面結(jié)構(gòu)以及不同韌性組分之間的界面過渡區(qū)和聚合物膜層的微觀形貌進(jìn)行觀察。

1.4 斷裂參數(shù)計(jì)算

本文選用失穩(wěn)斷裂韌度、斷裂能和延性指數(shù)3個(gè)參數(shù)對(duì)試件的斷裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。失穩(wěn)斷裂韌度反映了材料抵抗裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，數(shù)值上等于材料發(fā)生斷裂破壞時(shí)裂縫尖端的臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，可用來評(píng)估裂縫發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)造成的危險(xiǎn)程度[13]。斷裂能是指斷裂過程區(qū)上單位面積消耗的能量大小，反映了試件抵抗脆斷的能力[14]，為了更全面評(píng)價(jià)材料韌性和變形能力，引入延性指數(shù)作為材料的脆性指標(biāo)，延性指數(shù)越大，試件變形能力就越好[15]。

本文根據(jù)DL/T 5332—2005《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》及WANG 等[16]提出的基于虛擬裂縫模型的雙K 斷裂準(zhǔn)則計(jì)算失穩(wěn)韌度等斷裂參數(shù)，斷裂能根據(jù)日本混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JCI-S-001-2003 計(jì)算，計(jì)算公式如下所示。

式中：Pmax為峰值荷載；m為試件質(zhì)量；S為加載跨度；t為試件厚度；h為試件高度；h0為固定夾式引伸計(jì)薄鋼片厚度；CMODc為裂縫口張開位移臨界值；a0為初始裂縫長度；E為計(jì)算彈性模量；ci=CMODi/Pi為試件的柔度，由試件P-CMOD 曲線的直線段上任意3 點(diǎn)計(jì)算，然后取平均值；W0為PCMOD 曲線下面積；W1為試樣和加載夾具自重所做的功；Alig為韌帶斷裂面積；L為試件長度；m1為未附在試驗(yàn)機(jī)上但在試樣破裂前置于試樣上的夾具質(zhì)量；g為重力加速度，取9.81 g/m2。

2 結(jié)果分析

2.1 荷載-裂縫口張開位移曲線

各組試件的荷載-裂縫口張開位移(P-CMOD)曲線如圖2所示，彈性模量、峰值荷載和臨界裂縫口張開位移如表3 所示。由圖2 可知，各組曲線總體趨勢(shì)相似，根據(jù)P-CMOD 曲線將試件受彎過程的開裂行為分為3 個(gè)階段[17]：1) 彈性變形階段，荷載與裂縫口張開位移之間的關(guān)系符合胡克定律。2) 裂紋發(fā)育與擴(kuò)展階段，試件受力彈性段結(jié)束后，預(yù)制裂縫尖端局部高應(yīng)力區(qū)開始形成微裂紋。隨著荷載進(jìn)一步增大，裂紋沿試件內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)逐步擴(kuò)展。3) 失穩(wěn)破壞階段，荷載迅速下降但不降為0，此時(shí)試件仍具有一定的承載能力，隨后試件內(nèi)部裂紋迅速聯(lián)通擴(kuò)展，直到整體斷裂失穩(wěn)。

圖2 試件的P-CMOD曲線Fig.2 P-CMOD curves of specimens

表3 斷裂試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Table 3 Relevant parameters of fracture test

由圖2(a)～2(c)可知，隨著橡膠顆粒摻量增加，曲線下降段越來越平緩，說明試件的韌性得到改善，這是因?yàn)橄鹉z顆粒增大了試件的變形能力和能量吸收能力[18]。曲線與坐標(biāo)軸之間的包絡(luò)面積隨乳膠粉摻量增加逐漸增大，說明乳膠粉提高了試件的彎曲韌性，原因是乳膠粉形成的聚合物膜層有效提高基體結(jié)構(gòu)的致密性，并且乳膠粉的摻入提高了試件的能量存儲(chǔ)能力[19]。PP 纖維摻入后曲線的殘余荷載大幅度提高，當(dāng)CMOD 為0.4 mm時(shí)，M 的殘余荷載幾乎為0 N，但MF1的殘余荷載約為120 N，說明纖維有效提高試件破壞后的承載能力，這是由于纖維可以在水泥基體中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得基體破壞形式主要為大量細(xì)密裂縫[20]。對(duì)比單摻組曲線可知，3 種組分對(duì)于不同尺度的裂縫作用效果不相同。具體而言，MR1，MR2，MR4 和ME1，ME2 的曲線在CMOD 小于0.15 mm 時(shí)峰后軟化特征更明顯，表明橡膠顆粒和乳膠粉對(duì)于較小裂縫尺度能發(fā)揮更有效的阻裂作用。從ME4的曲線可知，當(dāng)CMOD 為0.4 mm 時(shí)殘余荷載仍大于0，表明乳膠粉對(duì)于中等裂縫尺度也有較好的抑制作用。MF0.5，MF1的曲線始終保持較高的殘余荷載，說明PP 纖維在較大裂縫尺度下能很好地發(fā)揮阻裂增韌作用[21]。綜上所述，3 種韌性組分對(duì)不同的裂縫尺度發(fā)揮不同的阻裂和增強(qiáng)作用[22]。

因孟晚舟豐富的履歷，外界紛紛猜測她將是華為下一任接班人。不過，任正非曾表示，華為從創(chuàng)立那一天起，確立的路線就是任人唯賢，而不是任人唯親。

由圖2(d)～2(f)可知，MR0.5F0.5 和ME0.5F0.5的曲線與坐標(biāo)軸之間的包絡(luò)面積分別大于MR1 和ME1，并且與MF1 接近，說明橡膠顆粒和乳膠粉分別與PP纖維雙摻時(shí)試件的吸能作用優(yōu)于單摻組，主要是由于乳膠粉增加了纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度，纖維與橡膠顆粒能發(fā)揮較好的協(xié)同作用[23]。MR1E1 組曲線下的面積大于MR2 和ME2，說明1%總摻量時(shí)，橡膠顆粒和乳膠粉雙摻有助于提高試件的能量吸收能力；同時(shí)，3 條曲線的下降段基本重合，表明兩者雙摻的增韌阻裂作用同樣體現(xiàn)在峰值荷載前，主要抑制較小尺度裂縫的擴(kuò)展。MR2E2的曲線介于MR4和ME4之間，說明總摻量4%時(shí)，橡膠顆粒和乳膠粉雙摻時(shí)試件的能量吸收能力介于單摻組之間，這是由于乳膠粉的儲(chǔ)能能力大于橡膠顆粒，MR2E2 中乳膠粉摻量是單摻組的一半。MR1E0.5F0.5和R0.5E3F0.5曲線與坐標(biāo)軸的包絡(luò)面積明顯大于同體積單摻組和雙摻組，并且CMOD 相同時(shí)三摻組試件的曲線具有更大的殘余荷載，說明韌性組分三摻時(shí)試件的變形能力和韌性得到進(jìn)一步改善，主要是由于混摻時(shí)3種組分可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成多尺度的阻裂和增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。

2.2 斷裂性能

各組試件的斷裂參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3，斷裂參數(shù)較基準(zhǔn)組增加率見圖3。

圖3 各試件斷裂參數(shù)較基準(zhǔn)組增加率Fig.3 Growth rate of fracture parameters of each specimen compared with reference group

3 種韌性組分單摻時(shí)均可以不同程度提高SCC等效砂漿試件的斷裂性能，從整體來看，單摻乳膠粉對(duì)失穩(wěn)韌度的提高作用最明顯，單摻纖維對(duì)斷裂能和延性指數(shù)的提高作用最明顯。具體來說，ME4 的失穩(wěn)韌度是基準(zhǔn)組的113.8%，MF1 的斷裂能和延性指數(shù)分別是基準(zhǔn)組的230.1%和165%。

MR0.5F0.5 和ME0.5F0.5 的失穩(wěn)韌度均高于MR1，ME1 和MF1，斷裂能和延性指數(shù)明顯高于MR1 和ME1 并且與MF1 接近，說明橡膠顆粒和乳膠粉分別與PP 纖維雙摻可顯著提高單一組分對(duì)斷裂性能的增強(qiáng)效應(yīng)。MR1E1 的失穩(wěn)韌度、斷裂能高于同體積單摻組，延性指數(shù)接近MR2，說明橡膠顆粒和乳膠粉雙摻可以起到相互促進(jìn)的作用，進(jìn)一步提高試件的斷裂性能。MR2E2 的失穩(wěn)韌度高于同體積單摻組，斷裂能和延性指數(shù)介于MR4和ME4 之間，說明較大的摻量會(huì)影響橡膠顆粒和乳膠粉的協(xié)同作用。

MR1E0.5F0.5的失穩(wěn)韌度、斷裂能和延性指數(shù)均高于同體積單摻組和雙摻組，說明橡膠顆粒、乳膠粉及PP 纖維三摻可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步提高試件的斷裂性能，并且3種韌性組分混摻對(duì)試件斷裂能的提高幅度最大，其次是延性指數(shù)，最后是失穩(wěn)韌度。

2.3 協(xié)同增韌效應(yīng)

協(xié)同效應(yīng)的機(jī)理主要是在結(jié)構(gòu)形成和受力過程中，不同形態(tài)、尺寸和作用機(jī)理的韌性組分在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮作用并在性能上優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果并參考王成啟[24]的研究成果，定義了一個(gè)參數(shù)協(xié)同效應(yīng)因子R定量表征多組分協(xié)同增韌作用效果，其表達(dá)式如(8)所示，當(dāng)R>1 時(shí)為正協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)R<1時(shí)為負(fù)協(xié)同效應(yīng)。

其中：R為協(xié)同效應(yīng)因子；S為增韌組分混摻的自密實(shí)混凝土等效砂漿的性能指標(biāo)；Si為同體積單摻組自密實(shí)混凝土等效砂漿性能指標(biāo)；vi為混摻組中單一組分摻量所占百分比。

由圖4可知，雙摻組和三摻組的失穩(wěn)韌度、斷裂能和延性指數(shù)協(xié)同效應(yīng)因子均大于1，說明橡膠顆粒、乳膠粉和PP 纖維雙摻或三摻對(duì)SCC 等效砂漿試件均具有正向協(xié)同增韌作用。具體而言，MR0.5E3F0.5的失穩(wěn)韌度、斷裂能和延性指數(shù)的協(xié)同效應(yīng)因子最大，說明3組分混雜可以發(fā)揮更好的協(xié)同增韌效應(yīng)。對(duì)比MR0.5F0.5 和ME0.5F0.5 2 組計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，MR0.5F0.5的失穩(wěn)韌度、斷裂能和延性指數(shù)的協(xié)同效應(yīng)因子均大于ME0.5F0.5，說明相同摻量下，橡膠顆粒和PP 纖維雙摻時(shí)協(xié)同增韌效果優(yōu)于乳膠粉和PP 纖維雙摻。由MR1E1，MR2E2 2 組計(jì)算結(jié)果可知，橡膠顆粒和乳膠粉雙摻具有較好的正向協(xié)同增韌作用，其中，MR1E1的失穩(wěn)韌度和延性指數(shù)協(xié)同效應(yīng)因子均高于MR2E2，這是由于MR2E2 中較大的橡膠顆粒摻量導(dǎo)致試件內(nèi)部產(chǎn)生更多缺陷，乳膠粉摻量不足補(bǔ)償橡膠顆粒帶來的負(fù)面影響。說明橡膠顆粒和乳膠粉雙摻時(shí)，較小摻量時(shí)對(duì)于失穩(wěn)韌度和延性指數(shù)具有更好的協(xié)同效應(yīng)，較大摻量時(shí)對(duì)于斷裂能的協(xié)同增強(qiáng)作用更明顯。

圖4 斷裂參數(shù)協(xié)同效應(yīng)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of synergistic effects of fracture parameter

2.4 機(jī)理分析

水泥基材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間存在密切聯(lián)系。首先，橡膠顆粒有效緩解裂縫尖端應(yīng)力集中，延長斷裂后的軟化過程、增加變形能力[25]，但MASO[26]指出，橡膠顆粒與水泥基體黏結(jié)性能較差。乳膠粉形成的聚合物膜層與水化產(chǎn)物形成相互滲透的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效填充基體內(nèi)部宏微觀缺陷[27]，但聚合物膜吸能作用有限，只能在一定程度上提高韌性。纖維的橋聯(lián)作用有效釋放裂縫尖端的應(yīng)力集中，使得裂縫擴(kuò)展路徑延長，但纖維周圍存在大量孔隙，導(dǎo)致纖維與水化產(chǎn)物、基體之間黏結(jié)力較弱。

為進(jìn)一步探究3種韌性組分之間的協(xié)同作用機(jī)理，本文通過掃描電鏡試驗(yàn)觀察了試件的微觀形貌，如圖5 所示。由圖5(a)可知，乳膠粉形成的聚合物膜層覆蓋在基體表面，有效提高基體結(jié)構(gòu)密實(shí)度。圖5(b)顯示聚合物膜層具有一定的抗拉強(qiáng)度，有效阻止內(nèi)部微裂紋傳播和應(yīng)力集中[6]。由圖5(c)可以看出，單摻組中纖維與水泥基體的界面過渡區(qū)存在明顯缺陷；相比之下，圖5(d)中乳膠粉摻入后纖維與基體的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，無明顯缺陷；對(duì)比圖5(e)和5(f)可知，單摻組中橡膠顆粒與水泥基體存在明顯的界面過渡區(qū)；雙摻組中橡膠顆粒與水泥基體的界面過渡區(qū)緊密結(jié)合；說明乳膠粉可以填充宏觀和微觀缺陷，有效改善橡膠顆粒和PP纖維與水泥基體的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)。圖5(g)表明單摻組纖維表面較為光滑，由圖5(h)可以看出雙摻組中纖維表面較為粗糙，對(duì)雙摻組纖維表面形貌進(jìn)一步放大，如圖5(i)所示，可以看出纖維表面覆蓋著具有一定韌性的聚合物膜層，有效增加了纖維從水泥基體中脫黏、滑移的難度[27]，從而提高了試件的韌性。

圖5 SCC等效砂漿試件的微觀形貌Fig.5 Microstructure of equivalent mortar specimens

結(jié)合雙K 斷裂準(zhǔn)則描述裂紋擴(kuò)展過程，可將橡膠顆粒-乳膠粉-PP 纖維的協(xié)同增韌阻裂過程歸納為3個(gè)階段：1) 開裂前的協(xié)同阻裂階段；2) 穩(wěn)定擴(kuò)展中的協(xié)同阻裂階段；3) 失穩(wěn)擴(kuò)展過程的協(xié)同阻裂階段。首先，乳膠粉形成的聚合物膜有效增強(qiáng)橡膠顆粒和PP 纖維與基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，從而提高它們的增韌作用；橡膠顆粒和PP 纖維的優(yōu)良變形吸能作用有效釋放裂紋尖端應(yīng)力[25,28]，有效提高乳膠粉的阻裂增韌作用，3 種組分相互促進(jìn)，有效抑制原生裂紋、新裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，由2.1節(jié)分析可知，橡膠顆粒和乳膠粉主要作用在開裂前的較小裂縫尺度上。其次，隨著荷載進(jìn)一步增大，水泥基體內(nèi)部微觀尺度裂紋逐漸發(fā)展為亞微觀尺度裂紋，此時(shí)橡膠顆粒的阻裂作用減弱，由于聚合物膜層具有一定的抗拉強(qiáng)度，乳膠粉仍能發(fā)揮較好的吸能阻裂作用，同時(shí)裂紋尖端亂向分布的PP 纖維受到拉應(yīng)力開始發(fā)揮阻裂作用，抑制亞微觀尺度裂縫向宏觀裂紋的發(fā)展，由2.1 節(jié)分析可知，該階段乳膠粉發(fā)揮主要作用。進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段后，試件表面出現(xiàn)肉眼可見的宏觀尺度裂縫，此時(shí)PP 纖維發(fā)揮主要的阻裂作用。劉加平等[29]指出，纖維與基體界面的作用決定著宏觀增韌防裂效果，主要包括3個(gè)階段，即彈性階段，彈性黏結(jié)-脫黏滑移階段和脫黏滑移階段。彈性階段，纖維對(duì)初始裂縫抑制的提升作用僅有10%～20%，后2個(gè)階段對(duì)于提高韌性起到?jīng)Q定性作用。而乳膠粉形成的聚合物膜層強(qiáng)化了纖維與基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，從而增加了纖維脫黏、滑移的難度，同時(shí)，變形能力較好的橡膠顆粒和乳膠粉有效分散PP纖維承受的應(yīng)力，緩解了纖維滑移和斷裂現(xiàn)象，有效提高了試件的韌性。3 種韌性組分優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步提高試件的韌性。3 種韌性組分在水泥基體中構(gòu)建多層次、多尺度的增韌阻裂網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)協(xié)同增韌。

基于上述分析，本文建立了3種韌性組分混摻的SCC等效砂漿試件的物理模型，如圖6所示。圖6(a)表示纖維上附著了一層由聚合物顆粒形成的聚合物膜層；圖6(b)表示橡膠顆粒表面也覆蓋了一層聚合物膜層；圖6(c)表明聚合物顆粒與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合在一起，有利于聚合物與水化產(chǎn)物形成交纏纏繞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提升水泥基材料的韌性；圖6(d)表示3 種組分混摻時(shí)可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分發(fā)揮協(xié)同作用，從而實(shí)現(xiàn)SCC 等效砂漿試件韌性的提升。

圖6 三摻組SCC等效砂漿物理模型Fig.6 Schematic diagram of composite material structure

3 結(jié)論

1) 摻量為1%～4%時(shí)，單位橡膠顆粒對(duì)斷裂能的增加率約為14%，單位乳膠粉對(duì)斷裂能的增加率約為16%。單位聚丙烯纖維對(duì)斷裂能的增加率可達(dá)90%以上。單摻4%的乳膠粉對(duì)失穩(wěn)韌度的提高作用最明顯；單摻1%的纖維對(duì)斷裂能和延性指數(shù)的提高作用最明顯。

2) 雙摻組對(duì)失穩(wěn)韌度、斷裂能和延性指數(shù)均具有正向協(xié)同增韌作用，其中橡膠顆粒和纖維雙摻對(duì)試件的斷裂能、延性指數(shù)、失穩(wěn)韌度的提升效果最佳，乳膠粉與纖維雙摻次之，橡膠顆粒與乳膠粉雙摻最低。

3) 橡膠顆粒、乳膠粉、聚丙烯纖維三摻組對(duì)失穩(wěn)韌度、斷裂能和延性指數(shù)的提升效果明顯優(yōu)于雙摻和單摻組。具體來說，三摻組R0.5E3F0.5相應(yīng)參數(shù)較基準(zhǔn)組增加率分別為21.6%，152.8%和102.5%。

4) 乳膠粉有效改善橡膠顆粒和PP 纖維與基體界面的黏結(jié)強(qiáng)度；橡膠顆粒有效分散裂縫尖端應(yīng)力集中；纖維有利于橡膠顆粒和乳膠粉在基體開裂后持續(xù)發(fā)揮阻裂作用。3 種韌性組分在水泥基體中構(gòu)建多尺度的增韌阻裂網(wǎng)絡(luò)，較好地發(fā)揮協(xié)同增韌作用。